粉煤灰混（hún）凝（níng）土與粉煤灰砂漿－概述

第三章　粉煤灰混凝土與（yǔ）粉煤灰砂（shā）漿（jiāng）

    在第一章敘述粉煤灰的特性時提到（dào）粉煤灰具有（yǒu）火山灰活性。所謂“火山灰活性”是指（zhǐ）其能在常溫下與石灰起化學反應生成具有膠凝性能的水化產物的性能。由（yóu）於矽酸鹽水泥在水化過程中要產生遊離石灰（以氫氧化鈣的形式存（cún）在），對混凝土性能弊多利少，而粉煤灰的火山灰活性使其能與這些遊離石（shí）灰結合生成新的（de）膠凝物質，製成比普通混（hún）凝土性能優良的優質混凝土。因此，在混凝土中摻入粉煤灰，不但能部分代替（tì）水（shuǐ）泥，降低工程造價，而且能改善和提高混凝土的性能，是高性能混凝土的理（lǐ）想摻合料。在現代混凝土中，粉煤灰已經與水泥、集（jí）料、水（shuǐ）、外加劑同（tóng）樣重（chóng）要，成為混凝土的一個重要組份。粉煤灰高性能混凝土（tǔ）是以耐（nài）久性為主要目標進行設計的混凝土（tǔ）。它以優異的耐久性（而不一定是高強度）為主（zhǔ）要（yào）特征，也就是說（shuō），任何強度等級的混凝（níng）土都可以做成高耐久性混凝土。

我國已故工程院資深院（yuàn）士吳中偉同誌在（zài）其支世前（qián）不久發表的（de）著名（míng）文章：“高性能混凝土（tǔ）——綠色混凝土（tǔ）”中指出：“水泥混凝土（tǔ）作為較大宗人造材料，其資（zī）源、能源與環境問題十分突出，必須及早解（jiě）決，否（fǒu）則將成為不可持續發展的材料（liào）。尤其在中國，人口眾多，水泥混凝土的需量特大（dà），而資源並不富裕，環境問題也十分突出。為解（jiě）決這些問題（tí），混凝土的生產及（jí）施（shī）工（gōng）技術必須（xū）從原始落後的，以（yǐ）消（xiāo）耗大量資源、能源為代價的（de）粗放（fàng）生產經（jīng）營方式，向大量節約資源、能源，減輕地球環境負荷及（jí）維護生態平衡的具有較新（xīn）、較高技術水平的生產經（jīng）營方式發展。”吳中（zhōng）偉院（yuàn）士（shì）接著指出：要達到上述目標，必須發展（zhǎn）綠色高性（xìng）能混凝土（GHPC）。他對（duì）“綠色（sè）”的涵義根括為：

（1）節約資（zī）源、能源；

（2）不破壞環境，更應有利於（yú）環境；

（3）不破壞環境，既（jì）要（yào）滿（mǎn）足當代人的需要，又（yòu）不危害後代人滿足（zú）其（qí）需要的能力。

他認為，“高性（xìng）能混凝土”應具有以下特征：

（1）更多地節約孰料水泥，降低能源與環境（jìng）汙染；

（2）更（gèng）多地摻加（jiā）工（gōng）業廢料為（wéi）主的細摻料；

（3）更大地發（fā）揮混凝土的高性能優勢，減少水泥與混凝（níng）土的用量。

基於上述對“綠色”和“高性能混凝土”的認識（shí），發展粉煤灰混凝土就是發展綠色高性能混（hún）凝土，是實施可持續（xù）發展戰略的（de）重要舉措。

第一節　概述

　　一、粉煤灰在高性能混凝土中的作用機理

　　過去（qù），www91認為粉煤灰隻是一種節約水泥的混合材，摻入粉煤灰將使混凝土強度降低，以至於（yú）人們總是以消極的態度對待粉煤灰在混凝土（tǔ）中的應用（yòng），認為在混凝土中摻入粉煤灰是以降低強度（dù）為代價的。但是，自（zì）從20世紀80年代後期高性能混凝（níng）土開（kāi）始發（fā）展並獲得廣泛應用後，粉煤灰的作用發生了（le）變化。高性能混凝（níng）土的特點是：膠凝材料（liào）用（yòng）量大，水膠比低，利用高效減水劑（jì）來（lái）獲得較大的流動性（xìng）。在這種混凝土中，如果不摻粉煤灰，由於拌和用水量小（xiǎo），使早期水泥水化的水分不足，不能充分發揮全部膠凝材料的活性作用，而且由於會產生較大的水化熱（rè），不利於形成完好、密實的混凝土結（jié）構。摻入粉煤灰（huī）後，正好解（jiě）決了上述問題（tí），也就是說（shuō），摻（chān）入粉煤灰可以改善早期水泥的水化條件，提高混凝土的工作（zuò）性，發送水泥與（yǔ）外加劑的相（xiàng）容性，降低水化熱，使混凝土形成密實的內部結構。因（yīn）此，粉（fěn）煤灰不是水泥的替（tì）代物（wù），而是混凝土的（de）一（yī）個（gè）獨立組份，使用它的（de）目的在於提高混凝土的某一種或某一些重（chóng）要性能。

對於粉煤灰在高性能混凝土中的作用機理，清華大學土木工程係覃維祖教授通過研究作出（chū）如下（xià）解釋：

長期以來，混凝土通常是在（zài）水灰比（bǐ）（或（huò）水膠比）相當大的條件下製備（bèi）的（例如W/C≥0.6），這（zhè）時漿體中水（shuǐ）分所占（zhàn）體積大約為2/3，而懸浮在其中的水泥顆粒僅占1/3，因此需要大量的水化生成物填充於（yú）骨料與水泥顆粒的間隙，才能將其粘結為一個整體。在（zài）這種情況下（xià），水泥（ní）的水化活性是決（jué）定（dìng）性因素（sù）：水化活性越大，意味著水化速率越（yuè）快，水（shuǐ）化生成物越多，膠凝性能也越好，活性高的水泥有（yǒu）充分水化條件，生成大量的凝（níng）膠（jiāo）與結晶，滿（mǎn）足填充空隙的需要。因而在用粉煤灰作水泥替代材料時，通常首先考慮它們的水化活性大小，即填充（chōng）空隙的能力。粉煤（méi）灰與水泥水化釋放的氫氧化鈣反應，形成低鈣C-S-H的過程（chéng）本（běn）來就緩慢，要3~7d才開始；加上氫氧化鈣通過表麵水化生成物層向內（nèi）部擴散十分困難，因此在混凝土拌和（hé）後相當長時（shí）間裏（lǐ），粉煤灰的水化產物依（yī）然不多（duō），填充空隙的能力差，宏觀表現為混凝土強（qiáng）度（dù）在一定齡期裏隨粉煤灰摻量大呈（chéng）線性下降（jiàng）。

在混凝土拌和物的水膠（jiāo）化比（水灰比）可以大大（dà）降低的情況下（例如W/C≈0.30），水泥顆粒（lì）或水（shuǐ）泥（ní）摻合料顆粒的間距明顯減小，需要填（tián）充空隙的消化生成物量也隨之大（dà）大減少。高活性的水泥與摻合料迅速的水化，很快地消耗掉體內本來（lái）較少的水（shuǐ）分，因此，供水不足成為影響它們充分水化的主要矛盾。當然（rán）如果能（néng）及時從外界補充水（shuǐ）分，體內缺水可以緩解，然（rán）而實際情（qíng）況是通常不可能及時而充分地補（bǔ）充水分；同時，在低水灰比情況下混凝土泌（mì）水明（míng）顯（xiǎn）減少乃至基本（běn）消失，體內（nèi）的（de）毛細孔在很（hěn）短時間裏被水化生成物填充而阻塞，使外界水分（fèn）也沒有進入混凝土的通道，致使水（shuǐ）泥與摻合料無法充分水化，留下大量未水（shuǐ）化的顆粒內芯。雖然內芯與水化產物的界麵粘結強度很好，但因（yīn）為硬化水（shuǐ）泥漿體內大量微孔缺水，會（huì）使（shǐ）其自身收縮明顯增大（dà），加上由於早期溫升（shēng）加劇導致較大的溫度收縮。在這種收縮變形、環（huán）境溫濕度變化、荷載（zǎi）等因素形（xíng）成的應力疊加作用下，混凝土的微結構和性能產生不利的變（biàn）化，其中較常（cháng）見的現象就是宏觀裂（liè）紋，外界水分和浸蝕性介質沿裂縫（féng）侵入，並逐漸延伸、擴展，給本來密不透水的混凝土結構帶來危（wēi）害。

摻入粉（fěn）煤灰後以上問（wèn）題得到了解決。由於粉煤（méi）灰水化較緩慢，混凝土（tǔ）拌合物的初始水灰比實際要大得（dé）多（水膠比一定的條件下，粉煤灰摻量越多，它自然也就越大），這（zhè）時高活性水泥的水化顯然要比不摻（chān）粉煤灰的低水膠比的混凝（níng）土的水化迅速而充分，產生大量的水化生成物去填充相對較（jiào）小（xiǎo）的空隙，釋放（fàng）出的氫氧化鈣則提供粉煤灰後續的（de）水（shuǐ）化，合（hé）混凝土隨齡期增長日益密實，水泥石和骨料的界麵得到（dào）顯著加強（過渡區薄弱的氫氧化（huà）鈣結晶大在減少），因此獲得良好的力學性能和耐久性。雖然在（zài）拌合時，一部分（fèn）水分會為（wéi）粉煤灰所吸附，但是，在水泥水化消（xiāo）耗水分形成的濕度梯度作用下，粉煤灰內的水分會不同程度（dù）的倒汲出，對水泥的繼續水化起了一種“內養護”的作用，這遠比通常的外部養護（hù）作用更大、更均勻。

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